CCD的誕生與工作原理

電荷耦合器件（Charge-coupled Device, CCD）是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的威拉德·波伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的。CCD是一種在光電效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的半導(dǎo)體光電器件，自20世紀(jì)70年代后期開始廣泛應(yīng)用于天文觀測，相較照相底片和光電倍增管，它具有量子效率高、動(dòng)態(tài)范圍大、線性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1. CCD的發(fā)明人威拉德·波伊爾（左）和喬治·史密斯（右），二人因此工作獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1]

CCD的工作過程主要包括：電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測量。光子入射到CCD上激發(fā)光電子，光電子被收集在一起形成電荷包，電荷包依次從一個(gè)像素轉(zhuǎn)移到另一個(gè)像素，最終傳輸?shù)捷敵龆耍瓿蓪﹄姾砂臏y量，如圖2所示[2]。

圖2. CCD的工作過程：電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測量[2]

CCD的分類

CCD種類有很多，天文觀測中常用的有全幀CCD (Full-Frame CCD, FFCCD)，電子倍增CCD (Electron-Multiplying CCD, EMCCD)等。

全幀CCD具有高密度像素陣列，能夠產(chǎn)生高分辨率的數(shù)字圖像。全幀CCD在讀取時(shí)，積累的電荷必須首先垂直轉(zhuǎn)移到下一行，由串行讀出寄存器水平讀出每個(gè)像素，重復(fù)上述步驟，直至全部轉(zhuǎn)移完畢，這稱為逐行掃描，如圖3所示。由于全幀CCD所有像素都參與感光，因此在電荷傳輸時(shí)，這些像素將被用于處理電荷傳輸而不能繼續(xù)捕捉新的影像。這時(shí)如果探測器繼續(xù)接受光線，就會(huì)影響成像質(zhì)量，所以全幀CCD需要配備機(jī)械快門，用于探測器讀出過程中遮擋入射光。機(jī)械快門的缺點(diǎn)是存在快門效應(yīng)、故障率高、使用壽命有限等。

圖3. 全幀CCD圖像讀出過程示意圖[4]

EMCCD主要包括成像區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)和輸出放大器。不同于全幀CCD，EMCCD在串行讀出寄存器和輸出放大器之間有數(shù)百個(gè)增益寄存器，在增益寄存器中分布有倍增電極，作用是加速載流子，高速的電荷會(huì)激發(fā)更多的載流子，從而實(shí)現(xiàn)信號放大，如圖4所示[5]。

圖4. EMCCD結(jié)構(gòu)示意圖[5]

EMCCD的典型工作模式為感光區(qū)按照指定曝光時(shí)間積分，待曝光結(jié)束后感光區(qū)電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)，感光區(qū)可立刻進(jìn)入下一次曝光；與此同時(shí)，存儲(chǔ)區(qū)的電荷從上到下逐行進(jìn)行轉(zhuǎn)移；在讀出過程中電荷轉(zhuǎn)移至增益寄存器進(jìn)行放大并讀出。這種工作模式讀出速度快，可以無需機(jī)械快門，通?？梢悦棵氆@取十幾張圖像，能夠滿足一些科學(xué)目標(biāo)對短曝光、快讀出的需求。

在弱光成像時(shí)，EMCCD相較CCD具有更高的靈敏度，這是由于EMCCD可以在不增加讀出噪聲的情況下，通過增益寄存器放大來提高圖像的信噪比，而CCD只能通過增加曝光時(shí)間提高信噪比；但在觀測較亮目標(biāo)時(shí)，EMCCD在信號放大過程中會(huì)引入其它噪聲，在相同曝光時(shí)間下，CCD或許是更好的選擇。

CMOS與sCMOS

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)誕生于20世紀(jì)80年代。CMOS圖像生成機(jī)理同樣是光電效應(yīng)，它的工作過程也包括電荷產(chǎn)生、電荷收集、電荷包轉(zhuǎn)移和電荷包測量。與CCD不同的是CMOS每個(gè)像素都集成了模擬電路，四個(gè)過程在一個(gè)像素里完成，即每個(gè)像素輸出的是轉(zhuǎn)換完的電壓信號。

圖5. CCD將電荷逐行掃描至輸出放大器，然后將其轉(zhuǎn)換為電壓信號; CMOS則在像素內(nèi)將電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號[6]

CMOS應(yīng)用電子快門，如卷簾快門和全局快門。對于卷簾快門來說，圖像是逐行讀出的，這與機(jī)械快門很像，在拍攝快速移動(dòng)的物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)斜坡圖像、晃動(dòng)等現(xiàn)象。全局快門像素在曝光時(shí)間積累電荷，曝光結(jié)束后所有像素同時(shí)重置、同時(shí)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)區(qū)域并讀出，所以拍攝快速移動(dòng)物體沒有變形。相比全局快門像素，卷簾快門像素讀出噪聲低、讀出速度快，適合拍攝與相機(jī)相對靜止或者一些要求低噪聲和高幀頻的目標(biāo)圖像；全局快門像素則更適合拍攝與相機(jī)之間具有相對高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)圖像。電子快門相較機(jī)械快門，無需考慮快門效應(yīng)和快門壽命，在實(shí)際使用中可以實(shí)現(xiàn)短曝光，同時(shí)維護(hù)、維修方便。

圖6. 使用卷簾快門在拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)變形，全局快門則不會(huì)[7]

目前sCMOS已被廣泛應(yīng)用于生物、物理等科研領(lǐng)域，而CMOS則取代了CCD，成為了民用領(lǐng)域最主要的感光器件。天文專用相機(jī)與生活中常見的消費(fèi)級數(shù)碼相機(jī)差別較大，主要區(qū)別有：1. 天文專用相機(jī)使用的感光芯片像素較大（較大的像素通常具有較大的滿阱電荷）、噪聲較低，所以具有較大的動(dòng)態(tài)范圍；使用16-bit模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以獲得16-bit的數(shù)字圖像；除此之外，還具有線性好、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)；2.天文專用相機(jī)通常需要對感光芯片進(jìn)行深度制冷，來降低暗電流，芯片需封裝在密閉空間里，所以體型較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等；3.天文專用相機(jī)需要連接電腦，使用專用控制軟件對其設(shè)置、拍攝及顯示等。

圖7. 左為科學(xué)級天文專用相機(jī)，右為消費(fèi)級數(shù)碼相機(jī)（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

圖8. 使用天文專用相機(jī)拍攝的梅西耶天體M81和M82（圖源：邱鵬 攝，使用器材：106mm口徑望遠(yuǎn)鏡、LRGB濾光片和天文專用制冷 CCD，LRGB四通道總曝光時(shí)間約28小時(shí)，單次最長曝光時(shí)間30分鐘）

圖9. 使用數(shù)碼單反相機(jī)拍攝的沙漠中的銀河（圖源：邱鵬 攝，使用器材：數(shù)碼單反相機(jī)，參數(shù)設(shè)置：焦距14mm、光圈f/2.8、ISO6400、曝光時(shí)間30秒）

小結(jié)

全幀CCD、EMCCD，CMOS和sCMOS作為半導(dǎo)體感光器件，因其結(jié)構(gòu)不同，特點(diǎn)不同。在實(shí)際天文觀測中，根據(jù)觀測需求選擇合適的探測器，才能事半功倍。

參考文獻(xiàn)：

[1] http://tech.sina.com.cn/digi/dc/2009-10-09/05373490569.shtml

[2] James Janesick. Dueling Detectors. SPIE, 2002: pp30-33

[3] C.R Kitchin編著，楊大衛(wèi)等譯，胡景耀等校. 天體物理方法. 原書第四版. 科學(xué)出版社，2009，1-23,149-160

[4] Introduction to CCDs，

http://spiff.rit.edu/classes/ast613/lectures/ccds_kids/ccds_kids.html

[5] What is an Electron Multiplying CCD (EMCCD) Camera,

https://andor.oxinst.com/learning/view/article/electron-multiplying-ccd-cameras

[6] Dave Litwiller, Dalsa. CMOS vs. CCD: Maturing Technologies, Maturing Markets. Phoeonics Spectra. 2005

[7] Rolling shutter VS Global shutter,

https://www.premiumbeat.com/blog/know-the-basics-of-global-shutter-vs-rolling-shutter/

作者簡介：邱鵬，中國科學(xué)院國家天文臺工程師，主要從事科學(xué)級天文探測器性能檢測與應(yīng)用、天文望遠(yuǎn)鏡控制、天文技術(shù)與方法研究。

文稿編輯：趙宇豪

來源： 光明網(wǎng)